CN104266756B - 一种宽波段红外扫描分光装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽波段红外扫描分光装置及校准方法，其中装置包括LVF、夹具、驱动电机、光电开关、零位开口、外压环及内压环；所述驱动电机驱动安装有渐变滤光片的夹具进行旋转扫描测试，夹具的内压环与外压环压住LVF非工作区域进行固定，装配简单牢固，且能实现高速旋转扫描测试。与采用CVF相比，采用上述方案，大大降低了镀膜技术难度与镀膜成本，通过采用相应的波长校准算法，可完成宽波段红外辐射的连续测试。

Description

一种宽波段红外扫描分光装置及校准方法

技术领域

本发明属于红外辐射分光测试技术领域，尤其涉及的是一种宽波段红外扫描分光装置及校准方法。

背景技术

红外渐变滤光片主要应用于红外光谱辐射测试中，在不同位置透过不同波长辐射，用做分光器件，应用中要求其能覆盖3～5μm与8～14μm两个红外大气窗口，并可进行快速波长扫描，基于镀膜技术的特点(最大波长不大于最小波长两倍)，目前一般采用3～4片CVF(圆形渐变滤光片)拼接为一个圆环形进行旋转扫描的方式来实现。但由于CVF镀膜技术难度大(我国目前还未见成熟的相应镀膜技术)，成本高，限制了其广泛应用。

论文“大口径红外光电***辐射定标及误差分析”(红外与激光工程，第40卷第9期，第1624～1628页，2011年9月)、论文“红外目标模拟器校准***的研制与应用”(红外与毫米波学报，第22卷第4期，第251～255页，2003年8月)与论文“红外光谱辐射计的研制”(红外与激光工程，第28卷第2期，第14～17页，1999年4月)均采用CVF作为分光器件，镀膜技术难度大，成本高。如图1所示，入射光点2会聚到CVF1上，透射波段光强被位于正后方的红外探测器所探测，随着CVF1在电机的转轴3驱动下匀速旋转过程中，探测器完成不同波长光强的扫描测试。现有技术采用CVF分光的方式，CVF器件镀膜技术难度大，成本非常高，难以被普遍采用。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种宽波段红外扫描分光装置及校准方法。

本发明的技术方案如下：

一种宽波段红外扫描分光装置，其中，包括夹具、驱动电机、光电开关、外压环及内压环；所述驱动电机驱动安装有渐变滤光片的夹具进行旋转扫描测试，夹具中的内压环与外压环压住LVF非工作区域进行固定；进行测试时，入射镜头会聚的光点打在LVF上，所述夹具在驱动电机的驱动下旋转，透过的辐射用红外探测器进行探测，随着LVF的旋转以完成不同波长的扫描测试，同时使用光电开关检测零位开口位置作为零角度位置，其余位置通过计数电机步进数来确定。

一种宽波段红外扫描分光装置的校准方法，其中，设完成不同波长的扫描测试后测得的数据为辐射强度p与时间t/角度θ的关系为：P＝f₁(t)＝f₂(θ)，若求得波长λ对应的角度θ的函数关系：θ＝f₃(λ)，将其代入上式中即求得辐射强度p与波长λ的函数关系式：P＝f₂(f₃(λ))。

所述的宽波段红外扫描分光装置的校准方法，其中，所述的波长与角度的关系θ＝f₃(λ)计算方法是：

若渐变滤光片工作波长从左到右为λ_min到λ_max，则在中间位置处工作波长为λ_mid＝(λ_min+λ_max)/2，通过定位找到其对应的角度为θ₀，其对应关系为：那么，在θ₀+△θ位置处对应的波长为：λ_mid+△λ，求得△θ与△λ关系，即建立波长与角度的对应关系；

先求得角度Δθ与滤光片长度Δl位置对应关系：

公式1：△l＝R*sin△θ

将公式1代入波长Δλ与滤光片长度Δl位置函数关系式，求得到波

长Δλ与角度Δθ的函数关系如下：

公式2：△λ＝△l*(λ_max-λ_min)/l＝(R*sin△θ)*(λ_max-λ_min)/l

其中，l为滤光片总长度，R为光点扫描半径。

所述的宽波段红外扫描分光装置的校准方法，其中，根据公式2，将测试得到的角度与辐射坐标系换算到波长与辐射的坐标系，达到波长校准的目的。

所述的宽波段红外扫描分光装置的校准方法，其中，所述将测试得到的角度与辐射坐标系换算到波长与辐射的坐标系的具体步骤为：根据公式2，将角度Δθ用波长△λ表示为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arcsin\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}*l}{R*({\mathrm{\λ}}_{max}-{\mathrm{\λ}}_{min})};$

则，角度用波长表示为：

${\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{mid}+arcsin\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}*l}{R*({\mathrm{\λ}}_{max}-{\mathrm{\λ}}_{min})};$

则辐射p与波长Δλ的函数关系为：

$P=f_2({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ})=f_2({\mathrm{\λ}}_{mid}+\arcsin \frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}*l}{R*({\mathrm{\λ}}_{max}-{\mathrm{\λ}}_{min})}),$

则将测试得到的角度与辐射坐标系换算到波长与辐射的坐标系。

采用上述方案，大大降低了镀膜技术难度与镀膜成本，针对LVF扫描过程中的波长不均匀性，设计了相应的波长校准算法，以实现宽红外波段光谱辐射连续扫描。

附图说明

图1为现有技术中三片组合CVF扫描分光示意图。

图2为本发明三片组合LVF扫描分光装置结构示意图。

图3为本发明方法中波长校准示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明设计了一种将多片组合LVF(条形渐变滤光片)用于红外光谱辐射分光并可进行高速扫描的装置。如图2所示，本发明装置包括LVF7、夹具6、驱动电机1、光电开关2、零位开口3、外压环4及内压环5，驱动电机1驱动安装有LVF7的夹具6进行旋转扫描测试，内压环5与外压环4正好压住LVF7非工作区域进行固定，装配简单牢固，且能实现高速旋转扫描测试。

测试过程中将入射镜头会聚的光点打在LVF7上，装有LVF7的夹具6在驱动电机1的驱动下旋转，透过的辐射用红外探测器进行探测，随着LVF7的旋转就完成了扫描测试，与此同时，通过光电开关2检测零位开口3位置作为零角度位置，其余位置通过计数电机步进数来确定。由于是旋转扫描，扫描速度与扫描稳定性都大大超过来回扫描方式。

实施例2

在上述实施例的基础上，本发明还提供一种宽波段红外扫描分光装置的校准方法,

与采用CVF进行扫描分光相比，本发明大大降低了镀膜技术难度与镀膜成本，针对LVF扫描过程中的波长不均匀性，设计了相应的波长校准算法，以实现宽红外波段光谱辐射连续扫描。

由于采用LVF进行分光不像CVF那样能保持测试波长均匀，采用上述装置测试中还会有无效数据，对此，设计了采用上述装置相应波长校准方法，建立波长与强度的对应关系，以实现宽红外波段光谱辐射连续测试，如图3所示：

由于滤光片是匀角速度扫描的，因此，测得的数据为辐射强度与时间/角度的关系：P＝f₁(t)＝f₂(θ)，若能得到波长对应的角度的函数关系式：θ＝f₃(λ)，那么，就可得到辐射强度与波长的函数关系式：P＝f₂(f₃(λ))。

根据渐变滤光片的相干镀膜原理，条形渐变滤光片上波长是均匀的。即若渐变滤光片从左到右工作波长为λ_min到λ_max，那么在中间位置处工作波长为λ_mid＝(λ_min+λ_max)/2，对应的角度为θ，其对应关系为：那么，在θ+△θ位置处对应的波长为：λ_mid+△λ。

根据三角函数关系，先求得角度△θ与滤光片长度位置△l对应关系，其中，Δθ表示角度θ的变化量，△λ表示波长λ的变化量为公式1：

△l＝R*sin△θ

再根据单片LVF上波长均匀的特点，将上式代入波长与滤光片长度位置函数关系式，即可得到波长△λ与角度△θ的函数关系如下，公式2：

△λ＝△l*(λ_max-λ_min)/l＝(R*sin△θ)*(λ_max-λ_min)/l

其中，l为滤光片总长度，R为光点扫描半径，Δl表示l的变化量。

将测试得到的角度与辐射坐标系换算到波长与辐射的坐标系的具体步骤为：根据公式2，将角度Δθ用波长△λ表示为：

则，角度用波长表示为：

${\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{mid}+arcsin\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}*l}{R*({\mathrm{\λ}}_{max}-{\mathrm{\λ}}_{min})};$

则辐射p与波长Δλ的函数关系为：

则将测试得到的角度与辐射坐标系换算到波长与辐射的坐标系。

通过上述运算，可得到角度与波长之间的函数关系，最后可根据该关系式将测试得到的角度与辐射坐标系换算到波长与辐射的坐标系上来，达到波长校准的目的。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种宽波段红外扫描分光装置的校准方法，所述宽波段红外扫描分光装置，包括夹具、驱动电机、光电开关、外压环及内压环；所述驱动电机驱动安装有渐变滤光片的夹具进行旋转扫描测试，夹具中的内压环与外压环压住LVF非工作区域进行固定；进行测试时，入射镜头会聚的光点打在LVF上，所述夹具在驱动电机的驱动下旋转，透过的辐射用红外探测器进行探测，随着LVF的旋转以完成不同波长的扫描测试，同时使用光电开关检测零位开口位置作为零角度位置，其余位置通过计数电机步进数来确定；

所述方法为：设完成不同波长的扫描测试后测得的数据为辐射强度p与时间t/角度θ的关系为：P＝f₁(t)＝f₂(θ)，若求得波长λ对应的角度θ的函数关系：θ＝f₃(λ)，将其代入上式中即求得辐射强度p与波长λ的函数关系式：P＝f₂(f₃(λ))；其特征在于，

所述的波长与角度的关系θ＝f₃(λ)计算方法是：

若渐变滤光片工作波长从左到右为λ_min到λ_max，则在中间位置处工作波长为λ_mid＝(λ_min+λ_max)/2，通过定位找到其对应的角度为θ₀，其对应关系为：那么，在θ₀+△θ位置处对应的波长为：λ_mid+△λ，求得△θ与△λ关系，即建立波长与角度的对应关系；

先求得角度Δθ与滤光片长度Δl位置对应关系：

公式1：△l＝R*sin△θ

将公式1代入波长Δλ与滤光片长度Δl位置函数关系式，求得到波长Δλ与角度Δθ的函数关系如下：

公式2：△λ＝△l*(λ_max-λ_min)/l＝(R*sin△θ)*(λ_max-λ_min)/l

其中，l为滤光片总长度，R为光点扫描半径。

2.如权利要求1所述的宽波段红外扫描分光装置的校准方法，其特征在于，根据公式2，将测试得到的角度与辐射坐标系换算到波长与辐射的坐标系，达到波长校准的目的。

3.如权利要求2所述的宽波段红外扫描分光装置的校准方法，其特征在于，所述将测试得到的角度与辐射坐标系换算到波长与辐射的坐标系的具体步骤为：根据公式2，将角度Δθ用波长△λ表示为：

则，角度用波长表示为：

则辐射p与波长Δλ的函数关系为：

则将测试得到的角度与辐射坐标系换算到波长与辐射的坐标系。